1前言

　　大型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)，是表征水輪機制造達到當今世界先進水平的重要標志之一。轉(zhuǎn)輪葉片是水輪機的關(guān)鍵部件，其制造質(zhì)量對機組的效率等水力性能有直接的影響。葉片的數(shù)控加工涉及多方面的高新工藝技術(shù)，國內(nèi)只有哈爾濱電機廠和東方電機廠經(jīng)多年探索、引進技術(shù)和研究開發(fā)，掌握了這項技術(shù)，國外也僅有法國ALSTOM、挪威GE、加拿大GE、德國VOITH、日本日立公司等對此項制造工藝掌握得比較好。由于對水輪機制造質(zhì)量的要求越來越高，所以葉片的數(shù)控加工成為對機組訂貨的關(guān)鍵技術(shù)要求。特別是作為當今國際混流式水輪機單機容量最大的、世界矚目的三峽水輪機，對轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)控加工提出了更高的要求，可以說葉片數(shù)控加工對提高我國電站設(shè)備制造水平，邁人世界先進技術(shù)行列意義重大。

2 葉片加工現(xiàn)狀

　　水輪機有混流式、軸流式、貫流式等幾種，國內(nèi)水輪機葉片制造長期采用砂型鑄造，經(jīng)手工鏟磨成型和采用立體樣板檢測的工藝方法，近年來發(fā)展了葉片模壓成型后鏟磨、模壓成型后再加工和鑄造成型后數(shù)控加工技術(shù)。手工鏟磨的方式，不但勞動環(huán)境惡劣，勞動強度大，效率低，而且葉片型面質(zhì)量差，降低了水輪機的效率。哈爾濱電機廠有限責任公司較早開始對數(shù)控加工葉片的編程、裝夾、加工、刀具和測量等方面進行研究，并于1996年引進了大型數(shù)控龍門銑床和相應(yīng)的CAD/CAM軟件。采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)，至今已完成了天生橋電站、柘林電站、新豐江電站混流式水輪機葉片和木京電站軸流式水輪機葉片的數(shù)控加工，并為三峽水輪機葉片的加工打下良好的基礎(chǔ)。

3 關(guān)鍵技術(shù)和工藝實施

　　3.1 葉片數(shù)控加工工藝流程

　　葉片數(shù)控加工工藝流程見附圖。

　　3.2五軸聯(lián)動數(shù)控編程技術(shù)

　　葉片型面測量

　　由于澆鑄毛坯分布的加工余量不一致，采用三維測量機進行毛坯的三維型面測量，選擇高效、便于計算機數(shù)據(jù)采集處理租基準變換的測量方法，達到余量均布的最佳裝夾位置。

　　曲面造型

　　根據(jù)原始數(shù)據(jù)造出葉片的三維型面，滿足下一步生成數(shù)控加工的代碼程序需求。

　　刀位軌跡計算

　　根據(jù)讀入葉片造型后的三維型面數(shù)據(jù)，設(shè)定加工型面、切削參量和刀具數(shù)據(jù)，進行刀位軌跡計算。

　　刀位軌跡仿真和刀具干涉檢查

　　根據(jù)刀位軌跡在計算機上對圖形進行模擬加工，并檢查刀具干涉情況，保證真機加工時安全運行。

　　后置處理

　　對刀位軌跡進行后置處理，生成特定機床的NC代碼加工程序。

　　3.3加工工藝過程

　　加工設(shè)備

　　為實施葉片加工，購進德國瓦德利?！た聦毠旧a(chǎn)的PMC5500AG數(shù)控龍門銑床。機床主機功率100kW，工作臺尺寸4.5m×13m，配置了目前世界上功率最大的五軸數(shù)控萬能銑頭，采用SIEMENSS 840C數(shù)控系統(tǒng)，并引進了CAMAND軟件，提供了數(shù)控加工葉片的設(shè)備條件。

　　毛胚質(zhì)量的控制

　　葉片為鑄造結(jié)構(gòu)，材料為0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼。將葉片進行粗磨，去除夾砂，避免損害刀具，再進行UT、MT探傷，檢查缺陷狀況。

　　由于葉片鑄造質(zhì)量不好及余量不均，要求對葉片正、背面加工余量、周邊余量進行控制，減少數(shù)控加工的工時。用經(jīng)緯儀測量葉片正、背面加工余量，在葉片的正、背面標志測量和加工找正用的3個定位基準點及其坐標值，并將測量數(shù)據(jù)用磁盤的形式傳給下序。

　　葉片裝夾

　　葉片外形不規(guī)則，尤其混流式轉(zhuǎn)輪的葉片是沒有任何基準的自由曲面，其裝夾方式的研究是實施編程、加工首先要解決的問題。德國VOITH公司對軸流式轉(zhuǎn)輪葉片采用軸外徑和法蘭定位、立式裝夾方式，混流式葉片采用可調(diào)轉(zhuǎn)向頭千斤頂定位、真空吸盤夾緊方式。真空吸盤夾緊需對吸附部位磨光預(yù)處理，另外系統(tǒng)部件占據(jù)面積大。在數(shù)控龍門銑驗收葉片加工工藝準備中，采用正、背面胎具定位、搭焊塊搭焊和螺釘把臺的夾緊方式，具有經(jīng)濟、高效、操作簡便的特點，挪威GE公司等也采用此方式。裝夾定位方式對確定工件參考點，實施找正，防止葉片正、背型面錯位影響重大。

葉片的找正、測量

　　用數(shù)控機床銑軸測量裝在胎具上的葉片3個定位基準點的坐標值，并在胎具上設(shè)定參照點進行找正。采用RENISHAW測量系統(tǒng)，開發(fā)應(yīng)用于三維曲面的葉片測量，為加工后的葉型檢測提供了先進的技術(shù)。

　　工件的編程

　　應(yīng)用前述編程技術(shù)，編制加工葉片正、背面，進、出水邊，上冠、下環(huán)坡口的程序。

　　葉片的加工

　　葉片加工部位為正、背型面、進出水邊和上下焊接坡口。使用的刀具為粗、精面銑刀、螺旋立銑刀、球頭銑刀、插銑刀等，

　　采用順銑加冷卻液的銑削加工方式。進給方向選擇沿葉片造型的參數(shù)線，對刀具直徑和干涉要求等銑削性能有利。

　　銑削寬度的確定和表面加工質(zhì)量與加工效率互為影響，由于銑刀在法向矢量方向傾斜加工，加工后工件表面呈微凹弧形，每刀銑削寬度愈大，銑削殘留的波峰、波谷的絕對值愈大，下序拋光工作量也就愈大。因此需合理確定每條程序段運行排刀的寬度。

　　3.4高效數(shù)控刀具的開發(fā)應(yīng)用

　　葉片數(shù)控加工成本昂貴，以柘林電站水輪機葉片加工為例．每個葉片展開面積約10m2，需加工5天，機組共有13個葉片，整臺份加工周期兩個月以上，數(shù)控龍門銑床工時費每小時約千元，則加工費上百萬元?？梢娞岣呒庸ば省⒔档图庸こ杀镜囊饬x特別重大，研究和采用高效數(shù)控刀具及加工方法，是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　開發(fā)國產(chǎn)面銑刀

　　為適應(yīng)不銹鋼材料葉片的加工，采用平裝刀片結(jié)構(gòu)，上壓式夾緊，主偏角75。和雙正前角的刀體設(shè)計新結(jié)構(gòu)。經(jīng)與國內(nèi)工具廠家合作研制成功，并形成系列。改善了不銹鋼韌性大，不易斷屑、排屑的狀況，改變了雙負前角面銑刀、不同主偏角刀片與刀體混用的不合理銑削狀況。

　　試驗優(yōu)選銑刀片

　　解決不銹鋼難加工的問題，刀具性能的關(guān)鍵是刀片的性能，國產(chǎn)刀片與國外有相當大的差距。國外通過改變材料成分、采用超細晶粒、開發(fā)刀片涂層技術(shù)、研制刀片槽型等，使硬質(zhì)合金刀片的硬度與韌性得到相當大的改善，刀具耐用度可達國產(chǎn)刀具的十幾倍。經(jīng)對國內(nèi)株洲、自貢、上海、陜西等硬質(zhì)合金制造廠家的YS25、YT535、YG532、YG546、YG726、YG813、M2、P25、SC30等牌號刀片，以及對國外如瑞典山特維克4030和235、德國瓦爾特WTA51和WTL71、美國肯納K68、以色列依斯卡IC328、日立CY250和HC844、三菱UP20M和F620等刀片進行大量的試驗，優(yōu)選了高耐用度、高效率的刀片，滿足了葉片正常銑削的要求。

　　研制開發(fā)新型面銑刀

　　為解決由于葉型加工余量不一、粗銑空行程的現(xiàn)象，與哈爾濱理工大學和國內(nèi)工具廠合作，研制了雙層刀片階梯刀齒結(jié)構(gòu)的面銑刀，實現(xiàn)倍量切深。

　　采用插銑加工技術(shù)

　　試驗并購入國外新型插銑刀，采用最新的插銑加工方式，提高進出水邊的銑削效率。

　　螺旋立銑刀配置

　　國產(chǎn)螺旋立銑刀刀片影響切削效率，優(yōu)選國外刀片型號、牌號，配置到國產(chǎn)刀體上，提高周邊加工效率。

　　優(yōu)選銑削參量

　　切削線速度的選擇對不銹鋼葉片材料的加工影響較大，大切深、大進給、高速銑削無疑有利于提高加工效率，但受刀具壽命、機床、裝夾等條件限制，需進行銑削參量的優(yōu)選。

4 結(jié)論

　　天生橋、柘林、新豐江電站水輪機混流式葉片加工成功，標志著哈爾濱電機廠有限責任公司五軸聯(lián)動數(shù)控加工葉片工藝已達到國際先進水平。葉片數(shù)控加工工藝技術(shù)的創(chuàng)新，對提高加工質(zhì)量、加工效率和降低工具費用經(jīng)濟效益顯著。以三峽水輪機為例，葉片型面單面展開面積約20m2，每臺15個葉片，每件毛重23t，加工周期預(yù)計5～6個月。若工藝、刀具改進，提高效率20%，可節(jié)約工時、刀具費用上百萬元。葉片數(shù)控加工使轉(zhuǎn)輪出力效率每提高1個百分點，都將帶來巨大的經(jīng)濟效益。